一種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法
2023-09-18 15:50:00
一種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法
【專利摘要】本發明屬於飛機製造工藝強度技術，涉及一種新焊接工藝下的接頭性能可靠性評定方法。本發明針對新型焊接工藝—摩擦焊，以概率統計為基礎，結合足夠多的子樣試驗，建立摩擦焊接頭性能的概率分布模型，形成獨有的接頭性能可靠性評定方法。本發明能有效提高摩擦焊接頭的質量及可靠性，以滿足摩擦焊關鍵構件的性能要求，為實現摩擦焊接構件性能的精確控制和摩擦焊接技術在現代工業製造中的可靠應用和推廣奠定基礎。
【專利說明】一種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於飛機製造工藝強度技術，涉及一種新焊接工藝下的接頭性能可靠性評 定方法。
【背景技術】
[0002] 隨著製造工業產品可靠性、穩定性、安全性要求的提高，新材料的輕量化、整體化 結構被不斷採用，這些結構對製造提出了更高的要求，甚至有些結構採用傳統工藝無法加 工。摩擦焊接不同於傳統熔化焊技術，是利用材料接觸面之間相對運動所產生的摩擦熱， 使待焊件接觸面及其附近區域達到塑性狀態，並在熱一力的持續作用下產生連續的塑性變 形、原子擴散和動態再結晶，從而獲得緻密鍛造組織的固相焊接技術。
[0003] 由於在新材料和新結構的製造【技術領域】具有的突出優勢，摩擦焊接已經成為現代 工業新產品研製、生產中越來越重要的連接方法，特別在某些關鍵結構的製造中具有不可 替代的地位。美國、日本、英國、德國等工業發達國家對摩擦焊接技術已開展了相關的基礎 研究及應用技術開發，國內也開展了部分研究工作，並有一些成功的應用實例。但在摩擦焊 接頭性能評定研究方面開展工作較少，缺乏深入的基礎研究，嚴重製約了摩擦焊接在實際 工業中的應用和發展。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的：引入可靠性分析方法，針對摩擦焊接工藝，提供一種基於概率統計 的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法。
[0005] 本發明的技術方案：
[0006] -種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其包括靜力性能評定和疲勞性能評定，其 中，靜力性能通過建立摩擦焊接頭性能概率分布模型進行評定，建立摩擦焊接頭性能概率 分布模型時，先假設性能服從某種分布，完成至少30件的性能測試，然後使用假設檢驗法， 對該分布進行檢驗，確定其是否服從該分布，如服從，則利用該分布模型的公式，根據數據 推算出公式中相應的參數，從而建立相應的概率分布模型，如果不服從，則更換分布，進行 重新處理；
[0007] 疲勞性能評定需要確定摩擦焊接頭疲勞性能斜率參量a，所述斜率參量a為疲 勞壽命分析中最重要的參量，測定時，首先完成摩擦焊接頭試驗件加工，而後確定疲勞應力 水平，完成試驗件疲勞壽命測試，對測試數據進行分析，並計算出初始的a值，然後使用回 歸分析法對a進行判斷，不滿足條件則繼續試驗，增加更多的子樣，直到滿足回歸條件為 止，從而確定出斜率參量a。
[0008] 所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其摩擦焊接頭性能概率分布模型包括構 建摩擦焊接頭靜力性能模型和構建摩擦焊接頭疲勞性能模型，
[0009] 其中，所述摩擦焊接頭靜強度性能的概率分布模型：摩擦焊接頭極限強度服從正 態分布，其概率分布模型，見表1 :
[0010] 表1摩擦焊接頭靜力性能概率分布模型
[0011]
【權利要求】
1. 一種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特徵在於，包括靜力性能評定和疲勞性能 評定，其中，靜力性能通過建立摩擦焊接頭性能概率分布模型進行評定，建立摩擦焊接頭性 能概率分布模型時，先假設性能服從某種分布，完成至少30件的性能測試，然後使用假設 檢驗法，對該分布進行檢驗，確定其是否服從該分布，如服從，則利用該分布模型的公式，根 據數據推算出公式中相應的參數，從而建立相應的概率分布模型，如果不服從，則更換分 布，進行重新處理； 疲勞性能評定需要確定摩擦焊接頭疲勞性能斜率參量α，所述斜率參量α為疲勞壽 命分析中最重要的參量，測定時，首先完成摩擦焊接頭試驗件加工，而後確定疲勞應力水 平，完成試驗件疲勞壽命測試，對測試數據進行分析，並計算出初始的α值，然後使用回歸 分析法對α進行判斷，不滿足條件則繼續試驗，增加更多的子樣，直到滿足回歸條件為止， 從而確定出斜率參量α。
2. 根據權利要求1所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特徵在於，摩擦焊接頭 性能概率分布模型包括構建摩擦焊接頭靜力性能模型和構建摩擦焊接頭疲勞性能模型， 其中，所述摩擦焊接頭靜強度性能的概率分布模型：摩擦焊接頭極限強度服從正態分 布，其概率分布模型，見表1 : 表1摩擦焊接頭靜力性能概率分布模型
% 摩擦焊接頭疲勞壽命概率分布模型：摩擦焊接頭疲勞壽命服從雙參數威布爾分布，其 概率分布模型見表2， 表2摩擦焊接頭疲勞壽命概率分布模型
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3. 根據權利要求2所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特徵在於， 構建摩擦焊接頭靜力性能模型的過程如下： 步驟1)假設摩擦焊接頭靜力性能服從正態分布，準備至少同種工藝參數和熱處理狀 態下試驗件30件，完成所有的接頭靜力性能測試，獲得至少30個接頭的抗拉強度； 步驟2)利用柯爾摩格洛夫檢驗法對假設的摩擦焊接頭抗拉強度分布進行檢驗，計算 各個數據段的評估量，如頻數、數學期望、經驗分布函數值Fn(Xi)和理論分布函數值F(Xi) 等，利用HiaxilFn(X i)-F(Xi) |}是否符合要求，判斷該分布是否成立； 步驟3)根據步驟2)中確定的摩擦焊接頭靜力性能服從的分布規律，將各接頭靜力性 能作為相互獨立的隨機變量，在試驗統計結果或理論推導的基礎上，可以確定出各接頭靜 力性能的概率分布規律，以正態分布為例，其原理如下： 假定摩擦焊接頭靜力性能X服從正態分布規律，表達式為 X ?Ν(μ，〇 2).......................................... (1) 式中： μ--接頭靜力性能X的數學期望； 〇2--接頭靜力性能X的方差； 則其接頭靜力性能X的正態分布規律概率密度函數fx (X)
假設有η個測量結果，Xi < Xi+1 < Xi+2…< Xn，則第i個觀測值的母體存活率p的 點估計值為
從而獲得對於靜力性能的概率密度分布曲線和存活率分布曲線，並根據分布曲線對靜 力性能的數學期望和方差進行點估計，最終獲得參數，形成靜力性能的概率分布模型。
4. 根據權利要求2所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特徵在於，構建摩擦焊 接頭疲勞性能模型的過程如下： 步驟1)假設分布和獲取數據 假設摩擦焊接頭疲勞性能服從雙參數威布爾分布，準備至少同種工藝參數和熱處理狀 態下試驗件40件，在同一應力水平、相同試驗條件下，完成所有的接頭疲勞性能測試，獲得 至少40個接頭的疲勞壽命； 步驟2)假設檢驗 使用X 2檢驗法進行檢驗，對該分布進行檢驗，計算各個數據段的評估量，如頻數fi、數 據段存活率Pi、總存活率npi等，利用X 2值在顯著度為0. 05的條件下是否符合要求，判斷 該分布是否成立； 步驟3)根據步驟2)中確定的摩擦焊接頭疲勞壽命服從的分布規律，將各接頭疲勞壽 命作為相互獨立的隨機變量，在試驗統計結果或理論推導的基礎上，可以確定出各接頭疲 勞壽命的概率分布規律，以雙參數威布爾分布為例，其原理如下： 當疲勞壽命服從雙參數威布爾分布，其破壞概率密度函數為：
式中： β--特徵壽命；α--形狀參數。 雙參數威布爾分布的破壞概率分布函數為
這樣，概率密度曲線便可以獲得，為獲取雙參數威布爾分布偽直線圖，進行如下推導： 對可靠度函數兩次取自然對數可得
X = LnN................................................ (8) B = - a Ln β............................................. (9) 可得 Y = α Χ+Β............................................. (10) 這樣，可繪製出雙參數威布爾分布偽直線圖，獲得接頭疲勞壽命概率分布規律； 利用回歸處理方法，得到對應的威布爾分布的形狀參數α和特徵壽命β的點估計值， 原理如下：
利用上述公式，最終可獲得參數α和β，進而形成摩擦焊接頭疲勞壽命的概率分布模 型。
5. 根據權利要求1所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特徵在於，所述斜率參 量α確定的具體過程如下： 步驟1)最小子樣數的確定： 斜率參量α回歸處理公式為：
當試驗子樣容量為η，威布爾分布斜率參量為α、置信度為R。時，置信度係數S。按下式 計算：
其工程簡化計算方法為：
其中，m為細節數（本專利中m= 1)，取置信度Rc = 95%，（16)式置信度係數S。近似 解析表達式為： Sc = 31/b-lgn/b....................................(17) 式中b為斜率參量，當滿足置信度95%，S。= 1時的最小子樣數η為
當 b = 2 時，η > 30 ;b = 3 時，η > 22 ;b = 4 時，η > 19 ; 步驟2)試驗件的製備：準備至少同種工藝參數和熱處理狀態下試驗件50件，儘可能保 持每個試驗件的製造狀態和測試狀態一致； 步驟3)使用迭代法測試出斜率參量α值： (a) 進行疲勞試驗，獲得η個有效試驗數據，根據公式（14)計算出α值； (b) 如果η-1個試驗結果和η個試驗結果回歸處理的相關係數均大於0.95,且兩個α 值近似相等，試驗結束； (c) 否則，繼續試驗，直到第m個試驗結果滿足（b)條要求。
6. 根據權利要求5所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特徵在於，不同材料摩 擦焊接頭疲勞壽命可靠性分析中斜率參量α的確定：斜率參量為疲勞壽命的可靠性分析 中最重要的參量，利用回歸處理方法進行參數估計，用試驗迭代進行驗證和求解，具體結果 見表3， 表3摩擦焊接頭斜率參量α
【文檔編號】G06F19/00GK104392126SQ201410664236
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月19日 優先權日:2014年11月19日
【發明者】楊俊 , 弓雲昭, 竇秋芳, 陳先民, 廖江海 申請人:中國飛機強度研究所